Kierowana ewolucja. Nagrodzona Noblem nadzieja na wyleczenie nieuleczalnych chorób

Całą złożoność i różnorodność życia – w tym także pojawienie się człowieka – zawdzięczamy mechanizmom ewolucji, dzięki którym żywe organizmy stają się coraz bardziej złożone, wyrafinowane i przystosowują się do zmiennych warunków środowiska. Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla wykorzystali te mechanizmy dla dobra ludzkości.

"Kierowana ewolucja" pozwoliła stworzyć enzymy wykorzystywane w produkcji biopaliw czy leków. Z kolei przeciwciała uzyskane dzięki metodzie fagowej ekspresji peptydów ("phage display") znalazły zastosowanie w leczeniu chorób autoimmunologicznych oraz zaawansowanych nowotworów.

Życie pojawiło się na Ziemi około 3,7 miliarda lat temu. Przez ten czas żywe organizmy opanowały niemal każde możliwe środowisko, od gorących źródeł i pustyń po dno morza, szczyty gór i lody Antarktydy. Pojawiły się wszędobylskie bakterie, odporne na wszystko niesporczaki, świecące meduzy, latające owady, ptaki i nietoperze, a wreszcie zdolni do wszystkiego ludzie. By to było możliwe, ewolucja musiała rozwiązać niezliczone problemy, produkując białka o odpowiednich właściwościach – supermocny klej mocujący małże do skał, przezroczystą jak szkło krystalinę w soczewce oka, elastyczną elastynę naszych ścięgien i naczyń krwionośnych czy "niezamarzające" białko we krwi arktycznych ryb. Narzędziami ewolucji były zmiany genetyczne i selekcja. Pojawiały się zmiany w genach – często na gorsze, ale czasem korzystne. Te korzystne miały większe szanse przetrwania.

Podobną drogą poszli tegoroczni nobliści.

W roku 1993 Amerykanka Frances H.Arnold (z wykształcenia inżynier przemysłu kosmicznego) po raz pierwszy dokonała kierowanej ewolucji enzymów – białek, które katalizują (przyspieszają) reakcje chemiczne. Podczas gdy klasyczne metody chemiczne wykorzystywane w produkcji leków czy tworzyw sztucznych często wymagają zastosowania toksycznych chemikaliów (m.in. metali ciężkich), wysokich ciśnień i temperatur - enzymy pozwalają przeprowadzać reakcje w sposób bardziej skuteczny i przyjazny dla środowiska.

Początkowo naukowcy próbowali świadomie nadawać enzymom nowe właściwości. Jednak uniemożliwiła to ich niezwykle złożona budowa.

Nawet przy całej współczesnej wiedzy i ogromnej mocy dzisiejszych superkomputerów bardzo trudno zaplanować nadanie enzymowi nowych właściwości. W latach 90. było to praktycznie niemożliwe. Dlatego Frances Arnold wykorzystała sprawdzoną w ciągu miliardów lat drogę ewolucji.

Pierwszym enzymem, jaki próbowała zmodyfikować, była subtylizyna, bakteryjny enzym używany (oprócz badań naukowych) w kosmetycznych preparatach zmiękczających skórę, środkach piorących, płynach do zmywania, przemyśle spożywczym czy płynach do czyszczenia soczewek kontaktowych.

Subtylizyna działa w środowisku wodnym. Badaczka chciała, by enzymu można było używać także w rozpuszczalniku organicznym – dimetyloformamidzie (DMF). Aby to osiągnąć, doprowadziła do licznych mutacji w genie kodującym enzym. Zmutowane geny wprowadzono do bakterii, uzyskując tysiące odmian enzymu. Wystarczyło "tylko" wyselekcjonować warianty najlepiej działające w środowisku rozpuszczalnika organicznego.

Wybrany wariant poddany został dalszym mutacjom, dzięki czemu pojawił się enzym jeszcze skuteczniejszy. Trzecia "generacja" działała w środowisku DMF 256 razy lepiej, niż oryginalny enzym i różniła się od niego w sumie 10 mutacjami. Przewidzenie korzystnych skutków aż tak złożonych zmian byłoby niemożliwe.

Z czasem stworzone przez amerykańską badaczkę metody zostały udoskonalone. Dziś rutynowo stosuje się je do tworzenia nowych enzymów. Można na przykład z cukrów prostych uzyskiwać izobutanol, nadający się na paliwo dla samochodów i samolotów.

Kolejny ważny krok zrobił Willem P.C. Stemmer, zmarły w roku 2013 holenderski badacz i przedsiębiorca. Zastosował rekombinację – metodę pozwalającą naśladować w probówce rozmnażanie płciowe, które prowadzi do powstawania nowych kombinacji genów, eliminuje geny nieprzydatne i promuje te o korzystnych właściwościach. W roku 1994 "pociął" geny na małe fragmenty, po czym za pomocą narzędzi typowych dla technologii DNA ułożył z nich nowe wersje genów będące mozaiką pierwowzorów. Zmodyfikowany tą metodą enzym okazał się znacznie skuteczniejszy w działaniu od oryginału.

W roku 1985 Amerykanin George P. Smith opracował metodę zwaną "phage display". Polega ona na wykorzystaniu bakteriofaga – wirusa zakażającego bakterie – do wytwarzania nowych białek.

Bakteriofag ma prostą budowę – w zasadzie jest to fragment DNA opakowany w białko. Aby się rozmnożyć, wstrzykuje bakterii własny materiał genetyczny, przejmując nad nią kontrolę. Opanowana przez bakteriofaga bakteria wytwarza jego kopie – zarówno DNA, jak i białka. George P. Smith postanowił wykorzystać bakteriofagi do znajdowania nieznanego genu odpowiedzialnego za wytwarzanie znanego białka.

Fragmenty niezidentyfikowanych genów łączono z genami kodującymi białko tworzące białkową otoczkę wirusa. W rezultacie bakterie wytwarzały zarówno białko wirusowe, jak i białko odpowiadające badanemu genowi, a bakteriofag miał to białko na swojej powierzchni. Z mieszaniny fagów prezentujących różne białka można było "wyłowić" poszczególne z nich za pomocą specyficznych przeciwciał. Dzięki temu można było połączyć konkretne białko z konkretnym genem.

Jego prace bardzo praktycznie wykorzystał Brytyjczyk Sir Gregory P. Winter – uzyskał ludzkie przeciwciała mające zastosowanie jako leki. Pierwszy był adalimumab – neutralizujący związane z zapaleniami białko TNF–alfa. Jako lek na reumatoidalne zapalenie stawów, łuszczycę oraz choroby zapalne jelit został zatwierdzony do użytku w roku 2002. Później pojawiły się przeciwciała neutralizujące toksyny, przeciwdziałające chorobom autoimmunologicznym, a nawet leczące zaawansowane nowotwory z przerzutami.

Naukowcy uważają, że korzystając z kierowanej ewolucji można będzie osiągnąć znacznie więcej – na przykład uzyskać leki na chorobę Alzheimera.

Frances H. Arnold otrzyma połowę kwoty 9 mln koron szwedzkich (ok. 871 tys. euro). Drugą połową podzielą się George P. Smith i Sir Gregory P.Winter.